计数器的设计（数字电子技术）

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1、 摘要随着电子技术的飞速发展数码产品越来越深受广大消费者的喜爱数字电子有着非常远大的前景数字电子技术已经成为新技术发展的一个重要标志数字电子技术的普及尤其是微计算机的迅速发展和应用使数字电子技术进入了一个新阶段它不仅广泛的用于现代数字通讯雷达自动控制航天控制遥测遥控数字计算机数字测量仪表医疗设备等各个科学领域而且进入了千家万户的日常生活因此数字电子技术将对人类文明人类迈向信息社会起着重大作用 Abstract With the high-speed development of electron technology numerals products are given more and m

2、ore popularity by the most consumers Digital electronics has very long-range prospectDigital electronic technology has already become an important sign of new technical development The popularization of digital electronic technology rapid development and application of the especially little computer

3、 make digital electronic technology enter a new stage It is used in the modern digital communication radar that it is not merely extensive automatically control the spaceflight is controlled the telemetering measurement remote control digital computer figure measure such each scientific field as the

4、 instrument medical equipment etc And has entered daily life of the huge numbers of families So digital electronic technology to the human civilization the mankind will march toward the information-intensive society to play a great role目录摘要1Abstract2目录3绪论4第一章 时钟脉冲的产生16第二章 发生器的设计21第三章数据检测器的设计30第四章 计数

5、器的设计38第五章 译码显示器的设计43第六章 计数器的设计53结论58致 谢59参考文献60 绪论数字电子技术是当前发展最快的学科之一数字电路的设计过程和方法也在不断的发展和完善由于半导体技术的迅速发展微型计算机的广泛应用所以数字电子技术在现代科学技术领域中占很重要的地位应用也更加广泛 电源 基本框图三同步时序逻辑电路的设计步骤逻辑抽象得出电路的状态转换图和状态转换表就是把要求实现的时序逻辑功能表示为时序逻辑数可以用状态转换表的形式也可以用状态转换图的形式这就需要分析给定的逻辑问题确定输入变量输出变量以及电路的状态数通常都是取原因或条件作为输入逻辑变量取结果作输出逻辑变量定义输入输出逻辑状态

6、和每个电路的状态的含义并将电路状态顺序编号按照题意列出电路的状态转换表或画出电路的状态转换图这样就把给定的逻辑问题抽象为一个时序逻辑函数了状态化简若两个电路状态在相同的输入下有相同的输出并且转换到同样一个次态去则称这两个状态为等价状态显然等价状态是重复的可以合并为一个电路的状态数越少设计出来的电路 也越简单状态化简的目的就在于将等价状态合并以求得最简的状态转换图状态分配状态分配又称状态编码时序逻辑电路的状态是用触发器状态的不同组合来表示的首先需要确定触发器的数目n因为n个触发器共有2n种状态组合所以获得时序电路所需的M个状态必须取 2n-1 M2n其次要给每个电路状态规定对应的触发器状态组合每

7、组触发器的状态组合都是一组二值代码因而又将这项工作称为状态编码在M 2n的情况下从2n个状态中取出M个状态组合可以有多种不同的方案而每个方案中M个状态的排列顺序又有许多种如果编码方案选择得当设计结果可以很简单反之编码方案选的不好设计出来的电路就会复杂的多这里面有一定的技巧此外为便于记忆和识别一般选用的状态编码和它们的排列顺序都遵循一定的规律选定触发器的类型求出电路的状态方程驱动方程和输出方程因为不同逻辑功能的触发器驱动方式不同所以用不同类型触发器设计出的电路也不一样因此在设计具体的电路前必须选定触发器的类型选择触发器类型时应考虑到器件的供应情况并应力求减少系统中使用的触发器种类根据状态转换图或

8、状态转换表和选定的状态编码触发器的类型就可以写出电路的状态方程驱动方程和输出方程了检查设计的电路能否自启动如果电路不能自启动则需采取措施加以解决一种解决办法是在电路开始工作时通过预制数将电路的状态置成有效状态循环中的某一种另一种解决方法是通过修改逻辑设计加以解决根据得到的方程式画出逻辑图 四555定时器及其应用555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路利用它能极方便的构成施密特触发器单稳态触发器和多谐振荡器由于使用灵活方便所以555定时器在波形的产生与变换测量与控制家用电器电子玩具等许多领域中得到了应用多谐振荡器是一种自激振荡器在接通电源以后不需要外加触发信号便能自动的产生矩形脉冲由于矩形

9、波中含有丰富的高次谐波分量所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器 五脉冲序列发生器简介在数字信号的传输和数字系统的测试中有时候需要用到一组特定的串行数字信号通常把这种串行数字信号叫做序列信号产生序列信号的电路称为序列信号发生器序列信号发生器原理序列信号发生器是能够循环产生一组或多组序列信号的时序电路它可以用以为寄存器或计数器构成序列信号的种类很多按照序列循环长度M和触发器数目n的关系一般可分为三种最大循环长度序列码M2n最大线性序列码m序列码M 2n1任意循环长度序列码Mn个输入变量变换为它所对应的m个输出状态每输入一组二进制代码在m个输出状态中最多有一个为1其余为0或者一个为0其余为1因此

10、译码器中和输入二进制代码对应有输出信号的那条线显示有特定信号和其它输出线均不同列如在计算机操作时当键盘输入某一个单元的地址码计算机电路中的译码器就将这组二进制代码译出一个特定信号比如为0送到要找的单元往往送到单元的使能端接着才能更换称写入或取出称读出单元中的内容进行算术或逻辑运算译码器的输入端数n和输出端数m有如下关系 2nm当2n m时称为全译码当2n m时称为部分译码器 八计数器简介在数字系统中使用最多的时序电路要算是计数器了计数器不仅能用于对时钟脉冲记数还可以用于分频定时产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等计数器的种类非常繁多如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类可以把计数器分为同步

11、式和异步式两种在同步计数器中当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的而在异步计数器中触发器的翻转有先有后不是同时发生的如果按计数过程中计数器中的数字增减分类又可以把计数器分为加法计数器减法计数器和可逆计数器或称为加减计数器随着记数脉冲的不断输入而作递增计数的叫加法计数器作递减记数的叫减法记数器可增可减的叫可逆计数器 第一章 时钟脉冲的产生 用555定时器构成多谐振荡器电路构成图1为555定时器构成的多谐振荡器电路图由图看出在555定时器基础上外接定时元件电阻R1R2及电容C高电平触发器端TH 管脚6 和低电平触发器端TR管脚2短接于R2C间放电管VTD的通路管脚7串接于R1R2间此为构成多谐振

12、荡器接法特点图2为管脚图 工作原理多谐振荡器无稳态只有两个暂时稳定状态输出在两个暂稳态间来回转换从而输出举行波脉冲暂稳态的时间长短由电路的定时元件确定 具体工作过程如下接通电源之前电容器两端电压Vc 0一接上电源AB比较器输出为Va 0Vb 1故Q 1Q 0Vo 1VTD截止电源电压通过R1R2对C充电多谐振荡器处于第一暂稳态其暂态过程的三要素为 第一暂稳态不可能永远存在下去随着时间的推移电源电压不断对电容C充电Vc的值将不断上升由于比较器AB的存在电容C的Vc也不可能充至Vcc当13VccVc 23Vcc时比较器AB的输出VaVb均为低电平R-S触发器的状态保持不变故输出Vo仍维持高电平但当

13、充电至Vc23Vcc时使A比较器输出Va 1而此时Vb仍为低电平R-S触发器状态发生变化此时Q 0Q 1从而使输出V 0放电管VTD导通第一暂稳态结束一旦放电管VTD导通也就是说对地有直达通路因而电容C通过R2和放电管放电电路进入第二暂稳态暂态过程的三要素为 随着时间的推移电容C不断放电使Vc值不断下降由于比较器AB的存在电容器的电压Vc不可能放电至0当13Vcc Vc23Vcc时比较器AB的输出Va Vb 0R-S触发器处于维持状态故输出Vo 0也保持不变但当Vc继续下降至Vc13Vcc时比较器AB输出Vb 1Va 0R-S触发器状态发生变化使Q 1Q 0输出Vo变为高电平放电管VTD截止第

14、二稳态结束电源电压再次对电容C充电多谐振荡器又处于第一暂稳态如此反复便使输出端输出矩形脉冲脉冲波形如下图所示 Vc t V0 t1 t2 0 T t 据暂态解的求法得多谐振荡器的振荡周期为T T1 T2而 T1 R1R2 C ln Vcc-13Vcc Vcc-23Vcc R1R2 C ln2 T2 R2C ln 0-23Vcc 0-13Vcc R2C ln2得 T R12 R2 Cln2 07 R12 R2 C输出矩形脉冲的频率f 1T显然改变R1R2和C的值即可改变振荡频率通过改变R和C的数值可以获得从01Hz到300KHz的振荡频率也可通过改变V5来改变比较器AB的参考电压从而达到改变振荡

15、频率的目的 第二章发生器的设计 设计一个循环产生0010111序列的信号发生器1 序列脉冲发生有计数型和移位型两种这里选择其中的移位型例如由三位移位寄存器构成的序列信号发生器的一般结构如图所示 图21 移位型序列发生器原理图 移位型序列信号发生器由移位寄存器和组合电路两部分组成各触发器的Q端作为组合电路的输入组合电路的输出作为移位寄存器的串行输入D1为反馈函数在同步脉冲CP的作用下移位寄存器做左移操作从Q3端就得到一个序列信号输出输出序列信号有多少位则序列长度就有多少有几位移位寄存器构成的序列发生器产生的序列信号的最大长度为P 2ordf 2 首先进行逻辑抽象画出状态转换图及状态转换表现所设计的序列信号的长度P 7因此按序列信号三位一组的划分如图2所示设输出要求产生的序列的前三位时的状态为S1按左移规律左移一位后的状态为S2类似的每左移1位改变一个状态分别为S3S4S5S6S7电路具有7个状态所以原始状态图如图3a所示由图2的状态